Schule › Elektrizität › 15–16 Jahre
Stromstärke, Spannung, Widerstand und Leistung
Strom als Ladungsfluss, das ohmsche Gesetz, Reihen- und Parallelwiderstand, elektrische Leistung und Energie in kWh. Mit einer Untersuchung zum Widerstand eines Drahtes.
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Die Stromstärke ist die pro Zeit fließende Ladung: I = ΔQ / Δt, gemessen in Ampere (1 A = 1 C/s). Vereinbarungsgemäß fließt der Strom von + nach −, in die Richtung, in die sich positive Ladung bewegen würde; in Metalldrähten sind die Ladungsträger Elektronen, die in die andere Richtung driften. Ein gleichmäßiger Strom braucht ständige Energiezufuhr, etwa durch eine Batterie.[1]
Das ohmsche Gesetz: Die Stromstärke durch einen Leiter ist proportional zur Spannung an ihm, U = R·I, wobei R der Widerstand in Ohm ist (1 Ω = 1 V/A). Stoffe wie Kupfer und Aluminium sind ohmsch: Ihr Widerstand hängt nicht von der Stromstärke ab, zumindest bei konstanter Temperatur.[2]
Leiter wie Metalle haben freie Elektronen, durch die sich Ladung leicht bewegen kann; Isolatoren wie Glas, Gummi und Kunststoff nicht. Darum bestehen Kabel aus isoliertem Kupfer.[5]
Für Widerstände in Reihe gilt Rs = R₁ + R₂ + …, und durch jeden fließt derselbe Strom. Parallel gilt 1/Rp = 1/R₁ + 1/R₂ + …: Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand, und jeder Zweig hat die volle Quellspannung. Haushaltsgeräte sind parallel geschaltet, damit jedes unabhängig funktioniert.[3]
Leistung ist die pro Zeit übertragene Energie: P = U·I; mit dem ohmschen Gesetz ergibt sich auch P = R·I² und P = U²/R. Die umgesetzte Energie ist E = P·t. Stromrechnungen verwenden die Kilowattstunde: 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.[4]
Ausprobieren: Wie beeinflusst die Länge eines Drahtes seinen Widerstand?
Du brauchst
- Etwa 1,2 m dünner Widerstandsdraht aus Konstantan oder Nichrom, entlang eines Meterstabs festgeklebt
- Ein Niederspannungs-Gleichstromnetzgerät oder Batteriepack (max. 3 V) und ein Schalter
- Ein Amperemeter und ein Voltmeter (oder zwei Multimeter)
- Kabel mit Krokodilklemmen
- Optional: ein Festwiderstand zum Schutz des Stromkreises
Sicherheit
Nur Niederspannung (max. 3 V). Der Widerstandsdraht kann bei kurzen Längen heiß werden: Zwischen den Messungen ausschalten und den Draht nicht berühren, solange Strom fließt. Den Draht nie ohne Amperemeter und Schalter direkt an das Netzgerät anschließen.
So geht's
- Schalte Netzgerät, Schalter, Amperemeter und Draht in Reihe; schließe das Voltmeter über das getestete Drahtstück an (zwischen den beiden Krokodilklemmen am Draht).
- Setze die Klemmen 20 cm auseinander. Schalte ein, lies U und I schnell ab und schalte wieder aus.
- Wiederhole für 40, 60, 80 und 100 cm. Miss jeden Wert zweimal.
- Berechne R = U / I für jede Länge.
- Trage R (y-Achse) gegen die Länge L (x-Achse) auf und zeichne die Ausgleichsgerade.
- Beschreibe den Zusammenhang und erkläre ihn.
Was passiert, und warum?
R wächst proportional zu L: Der Graph ist eine Gerade durch den Ursprung (oder nahe daran), weil die driftenden Elektronen in einem längeren Draht durch mehr Material müssen. Man liest schnell ab, weil ein warmer Draht einen etwas höheren Widerstand hat. Ein kleiner Versatz bei L = 0 kann vom Übergangswiderstand an den Klemmen kommen.[2][1]
Spielen: Stromkreis-Rechner
Rechne jede Antwort aus und wähle dann das richtige Feld. Benutze U = R·I, P = U·I und die Regeln für Reihe und parallel.
Dein bester Punktestand wird nur auf diesem Gerät gespeichert. Es wird nichts verschickt.
Quiz
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